Теплоизоляция – это уменьшение теплопередачи (т. е. передачи тепловой энергии между объектами разной температуры) между объектами, находящимися в тепловом контакте или в зоне радиационного воздействия. Теплоизоляция может быть достигнута с помощью специально разработанных методов или процессов, а также с помощью подходящих форм предметов и материалов.
Тепловой поток является неизбежным следствием контакта между предметами разной температуры . Тепловая изоляция обеспечивает область изоляции, в которой теплопроводность снижается, создавая тепловой разрыв или тепловой барьер [1] или тепловое излучение отражается, а не поглощается телом с более низкой температурой .
Изолирующая способность материала измеряется как обратная величина теплопроводности (k) . Низкая теплопроводность эквивалентна высокой изоляционной способности ( значению сопротивления ). [2] В теплотехнике другими важными свойствами изоляционных материалов являются плотность изделия (ρ) и удельная теплоемкость (с) .
Теплопроводность k измеряется в ваттах на метр на кельвин (Вт·м -1 ·К -1 или Вт/мК). Это связано с тем, что теплопередача , измеряемая как мощность , оказалась (приблизительно) пропорциональной
Отсюда следует, что мощность теплопотерь определяется выражением
Теплопроводность зависит от материала, а для жидкостей — от их температуры и давления. Для целей сравнения обычно используется проводимость в стандартных условиях (20 °C при 1 атм). Для некоторых материалов теплопроводность также может зависеть от направления теплопередачи.
Изоляция осуществляется путем помещения объекта в материал с низкой теплопроводностью большой толщины. Уменьшение площади открытой поверхности также может снизить теплопередачу, но эта величина обычно определяется геометрией изолируемого объекта.
Многослойная изоляция используется там, где преобладают радиационные потери или когда пользователь ограничен в объеме и весе изоляции (например, аварийное одеяло , лучистый барьер ) .
Для изолированных баллонов должен быть достигнут критический радиус покрытия. До достижения критического радиуса любая добавленная изоляция увеличивает теплопередачу. [3] Конвективное тепловое сопротивление обратно пропорционально площади поверхности и, следовательно, радиусу цилиндра, тогда как тепловое сопротивление цилиндрической оболочки (изоляционного слоя) зависит от соотношения внешнего и внутреннего радиусов, а не от самого радиуса. . Если внешний радиус цилиндра увеличивается за счет применения изоляции, добавляется фиксированная величина проводящего сопротивления (равная 2×π×k×L(Tin-Tout)/ln(Rout/Rin)). Однако при этом снижается конвективное сопротивление. Это означает, что добавление изоляции ниже определенного критического радиуса фактически увеличивает теплопередачу. Для изолированных баллонов критический радиус определяется уравнением [4]
Это уравнение показывает, что критический радиус зависит только от коэффициента теплопередачи и теплопроводности изоляции. Если радиус изолированного цилиндра меньше критического радиуса изоляции, добавление любого количества изоляции увеличит теплопередачу.
Газы обладают плохой теплопроводностью по сравнению с жидкостями и твердыми веществами и, таким образом, являются хорошим изоляционным материалом, если их можно удержать. Чтобы еще больше повысить эффективность газа (например, воздуха), его можно разделить на мелкие ячейки, которые не могут эффективно передавать тепло посредством естественной конвекции . Конвекция включает в себя больший объемный поток газа, вызванный плавучестью и разницей температур, и она не работает хорошо в маленьких ячейках, где разница в плотности невелика, а высокое отношение поверхности к объему маленьких ячеек замедляет поток газа. в них посредством вязкого сопротивления .
Чтобы добиться образования небольших газовых ячеек в искусственной теплоизоляции, можно использовать стекло и полимерные материалы для улавливания воздуха в пеноподобной структуре. Этот принцип используется в промышленности при изоляции зданий и трубопроводов, таких как ( стекловата ), целлюлоза , минеральная вата , пенополистирол (пенопласт), пеноуретан , вермикулит , перлит и пробка . Удержание воздуха также является принципом всех материалов с высокими изоляционными свойствами, таких как шерсть, пуховые перья и флис.
Свойство улавливания воздуха также является принципом изоляции, используемым гомойотермными животными для сохранения тепла, например, пуховыми перьями , и изолирующими волосами, такими как натуральная овечья шерсть . В обоих случаях основным изолирующим материалом является воздух, а полимером, используемым для улавливания воздуха, является природный белок кератин .
Поддержание приемлемой температуры в зданиях (путем отопления и охлаждения) требует значительной доли глобального потребления энергии . В изоляции зданий также обычно используется принцип небольших захваченных воздушных ячеек, как описано выше, например, стекловолокно (в частности, стекловата ), целлюлоза , минеральная вата, пенополистирол , пеноуретан , вермикулит , перлит , пробка и т. д. В течение определенного периода времени Также использовался асбест , однако он вызывал проблемы со здоровьем.
Изоляционная пленка для окон может применяться при утеплении , чтобы уменьшить поступающее тепловое излучение летом и потери зимой.
При хорошей изоляции здание :
В промышленности энергию необходимо затрачивать на повышение, понижение или поддержание температуры объектов или технологических жидкостей. Если они не изолированы, это увеличивает энергетические потребности процесса и, следовательно, стоимость и воздействие на окружающую среду.
Системы отопления и охлаждения помещений распределяют тепло по зданиям с помощью труб или воздуховодов. Изоляция этих труб с помощью изоляции труб снижает потребление энергии в незанятых помещениях и предотвращает образование конденсата на холодных и охлажденных трубопроводах.
Изоляция труб также используется на трубопроводах водоснабжения, чтобы помочь отсрочить замерзание труб на приемлемый период времени.
Механическая изоляция обычно устанавливается на промышленных и коммерческих объектах.
Было обнаружено, что теплоизоляция улучшает тепловое излучение поверхностей пассивного радиационного охлаждения за счет увеличения способности поверхности снижать температуру ниже температуры окружающей среды под воздействием прямых солнечных лучей. [5] Для теплоизоляции могут использоваться различные материалы, в том числе полиэтиленовые аэрогели , которые уменьшают поглощение солнечной энергии и паразитное тепловыделение, что может улучшить производительность излучателя более чем на 20%. [5] Другие аэрогели также продемонстрировали высокие теплоизоляционные характеристики для поверхностей радиационного охлаждения, включая нановолокнистый аэрогель из алюмосиликата . [6]
Холодильник состоит из теплового насоса и термоизолированного отсека. [7]
Запуск и повторный вход в атмосферу создают серьезные механические нагрузки на космический корабль, поэтому прочность изолятора имеет решающее значение (как видно на примере выхода из строя изолирующих плиток на космическом корабле "Колумбия" , что привело к перегреву корпуса шаттла и его разрушению во время входа в атмосферу, что привело к гибели людей). космонавты на борту). При повторном входе в атмосферу возникает очень высокая температура из-за сжатия воздуха на высоких скоростях. Изоляторы должны соответствовать требованиям к физическим свойствам, помимо свойств, замедляющих теплопередачу. Примеры изоляции, используемой на космических кораблях, включают носовой обтекатель из армированного углерод -углеродного композита и плитки из кварцевого волокна космического корабля "Шаттл" . См. также Изоляционная краска .
Двигатели внутреннего сгорания выделяют много тепла во время цикла сгорания. Это может иметь негативные последствия при попадании на различные термочувствительные компоненты, такие как датчики, аккумуляторы и стартеры. В результате необходима теплоизоляция, чтобы предотвратить попадание тепла от выхлопных газов к этим компонентам.
В автомобилях с высокими эксплуатационными характеристиками часто используется теплоизоляция как средство повышения производительности двигателя.
На характеристики изоляции влияет множество факторов, наиболее важными из которых являются:
Важно отметить, что факторы, влияющие на производительность, могут меняться с течением времени по мере изменения возраста материала или условий окружающей среды.
Отраслевые стандарты часто представляют собой эмпирические правила, разработанные в течение многих лет и компенсирующие многие противоречивые цели: то, за что люди будут платить, стоимость производства, местный климат, традиционные методы строительства и различные стандарты комфорта. Анализ теплопередачи и слоев может выполняться в крупных промышленных приложениях, но в бытовых ситуациях (бытовые приборы и изоляция зданий) герметичность является ключом к снижению теплопередачи из-за утечки воздуха (вынужденной или естественной конвекции). Как только воздухонепроницаемость достигнута, часто бывает достаточно выбрать толщину изоляционного слоя, основываясь на практических правилах. Убывающая отдача достигается с каждым последующим удвоением изоляционного слоя. Можно показать, что для некоторых систем существует минимальная толщина изоляции, необходимая для реализации улучшения. [8]
.
